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Lec12 - Subject_11:Outline BiasingofpnJunctions...

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Subject_11: Outline Biasing of pn Junctions * Current flow in pn junctions  Drift and diffusion currents  Current in the quasi-neutral regions * Quasi-Fermi levels  Minority-carrier concentrations   Law of the junction 
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Current Flow in pn Junctions • Previously we discussed the influence of voltage biasing on the  BENDING  of energy bands in a pn junction  * Today we consider how voltage biasing modifies  CURRENT FLOW  through such    junctions * We begin by considering the influence of the biasing on the  DRIFT  and  DIFFUSION    currents in the junction  The  DIFFUSION  currents give rise to a  BUILT-IN  electric field that in turn   induces counterbalancing  DRIFT  currents at thermal equilibrium •  DRIFT  AND  DIFFUSION  CURRENTS IN A pn JUNCTION • THE ELECTRON  DIFFUSION  CURRENT IS GENERATED BY  ELECTRONS DIFFUSING FROM THE n-TYPE TO THE p-TYPE SIDE  WHILE THE HOLE DIFFUSION CURRENT FLOWS IN THE OPPOSITE  DIRECTION • THE ELECTRON  DRIFT  CURRENT IS GENERATED WHEN THE  BUILT-IN ELECTRIC FIELD DRIVES ELECTRONS BACK TO THE n- TYPE SIDE AND HOLES BACK TO THE p-TYPE SIDE - h - h - - - h - h - - + e + e + + + e + e + + h e e h DIFFUSION DRIFT E
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Current Flow in pn Junctions • At thermal equilibrium the drift and diffusion currents are both small and the net current flowing through the diode  is  EXACTLY  equal to zero  * Diffusion is  BLOCKED  by the band bending in the semiconductor which presents an    energy  BARRIER  to the diffusion of carriers * Drift of carriers is subject to  NO  such barrier but is limited instead by the small    concentration of the  MINORITY  carriers on both sides of the junction E v E c DRIFTING ELECTRONS DIFFUSING ELECTRONS DIFFUSING HOLES DRIFTING HOLES • THE ELECTRON  DIFFUSION  CURRENT IS LIMITED TO THOSE FEW CARRIERS THAT OCCUPY SUFFICIENTLY HIGH ENERGY STATES IN THE CONDUCTION BAND THAT THEY ARE ABLE TO OVERCOME THE BAND BENDING • ELECTRONS DRIFTING BACK FROM THE p-TYPE MATERIAL SEE NO ENERGY BARRIER BUT ARE SO FEW IN NUMBER THAT THE RESULTING DRIFT CURRENT IS VERY  SMALL • WITH NO VOLTAGE APPLIED THE ELECTRON DRIFT AND DIFFUSION CURRENTS  CANCEL  EACH OTHER COMPLETELY  • EXACTLY  ANALOGOUS  ARGUMENTS MAY BE MADE FOR THE HOLE  DRIFT AND DIFFUSION CURRENTS 
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Current Flow in pn Junctions • In  FORWARD-BIAS  mode the external voltage  OPPOSES  the built-in voltage and the band bending in the  semiconductor is  REDUCED    * The  DIFFUSION  currents in the junction  INCREASE  since larger numbers of electrons     and holes are now able to surmount the barrier that exists for diffusion * The  DRIFT  currents in the junction remain negligibly 
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